生物質(zhì)氣化爐智能控制器設(shè)計

譚季秋,宋曉波,朱培立,胡為民,龔 磊

(1.湖南工程學院 機械工程學院,湘潭411101;2.湖南工程學院 機械工程學院機械設(shè)計0503班,湘潭411101;3.湘潭農(nóng)業(yè)機械研究所,湘潭411101;4.機械工程學院 機電0601班,湘潭411101)

0 引 言

生物質(zhì)氣化是一種熱化學處理技術(shù),將低品質(zhì)的固態(tài)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成使用方便而且清潔的生物質(zhì)燃氣,在生產(chǎn)、生活、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利用.目前,我國生物質(zhì)氣化技術(shù)也日趨完善.我國已進入實用階段的生物質(zhì)氣化爐裝置種類較多,用途廣泛,已取得良好的社會經(jīng)濟效益[1].我國自行研制的集中供氣站和氣化爐產(chǎn)品已進入實用化實驗及示范階段.對緩解我國常規(guī)能源緊張狀況,促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善都具有重要意義[2].

“生物質(zhì)氣化爐智能控制器設(shè)計”,是將傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化爐的手動閥改為自動閥,使生物質(zhì)氣化爐性能優(yōu)良,操作簡便安全.解決了原氣化爐的手動控制閥多、控制過程繁雜的問題.根據(jù)生物質(zhì)氣化爐的氣源特點,啟動、停止時氣閥的動作過程和功能要求,通過PLC對電磁閥進行順序控制、延時控制等,實現(xiàn)填料提醒,點火顯示,安全報警和抽油煙機控制等功能.最終實現(xiàn)戶用型氣化爐的推廣應用[1].

1 生物質(zhì)氣化原理

所謂氣化是指將固體或液體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學過程.以新開發(fā)的熱管式生物質(zhì)氣化爐為反應器,對不同種類生物質(zhì)的水蒸氣氣化特性進行研究,分析高溫熱管的啟動和氣化爐內(nèi)的溫度場分布,考察氣化參數(shù)對氣化結(jié)果的影響[3].氣化過程可以分為四步:干燥、液化、熱解和氣化.化學反應步驟如下 :

2 氣化爐操作控制流程

生物質(zhì)氣化爐是根據(jù)生物質(zhì)氣化原理而設(shè)計的.雙一科技的生物質(zhì)氣化爐如圖1所示,由料筒、凈化裝置、管道、灶頭等部分組成.植物燃料通過制氣室,在密閉缺氧的條件下,采用干餾熱解及化學氧化反應,產(chǎn)生一種可燃性氣體,在氧氣的助燃下達到理想的燃燒效果.該爐具裝置具有植物原料造氣、燃氣凈化、自動分離的功能.

氣化爐的核心技術(shù)是生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐管道、氣閥技術(shù).燃氣通過管道送到爐灶.圖1中可以看出其控制閥門很多.從制氣過程可知,生物質(zhì)氣化爐不像煤氣爐一樣有穩(wěn)定的氣源,因此,對開啟設(shè)備及點火過程有嚴格的要求,操作人員專業(yè)水平要求較高,控制過程復雜.圖2為生物質(zhì)氣化爐閥門結(jié)構(gòu)示意圖,由于本產(chǎn)品是專利產(chǎn)品,所以示意圖只畫出對設(shè)計有用的部分.

根據(jù)圖2氣化爐閥門結(jié)構(gòu)圖,點火控制流程為:開鼓風機——開鼓風機風道閥——開大煙口閥——保持三分鐘,為生物質(zhì)燃料點火——關(guān)大煙口閥——開送氣閥——開總閥——燃氣爐灶上電子點火——開二次送風閥;關(guān)火控制流程為:先關(guān)閉生物質(zhì)氣化爐,再關(guān)閉燃氣爐灶,控制流程為關(guān)鼓風機——關(guān)鼓風機風道閥——關(guān)二次送風閥——關(guān)送氣閥——關(guān)總閥——開大煙口閥——關(guān)閉燃氣爐灶.

還有?；?、報警、顯示、抽油煙機等其他功能的控制,如?；?在生物質(zhì)燃料沒有用完時,燃料火種能保留,此時可以添加生物質(zhì)燃料,并且不需要對燃料再次點火.

從工作過程看,控制閥多,控制過程繁雜,制約了生物質(zhì)氣化爐的推廣應用,為了優(yōu)化氣化爐性能并使操作簡化,把原有手動閥裝置更換為自動閥控制裝置,通過PLC實現(xiàn)以上工作控制流程的順序控制、延時控制.

3 生物質(zhì)氣化爐智能控制系統(tǒng)組成

根據(jù)生物質(zhì)氣化爐啟動、停止時氣閥的動作過程以及填料提醒、抽油煙機控制、操作錯誤報警提醒、點火提醒功能要求,設(shè)計 PLC控制系統(tǒng).圖3為將原手動閥改成自動控制閥的智能控制器管道閥結(jié)構(gòu)示意圖.本文不對氣化爐的制氣室參數(shù)進行控制,主要通過PLC對電磁氣閥進行順序控制、延時控制等,從而簡化氣化爐的操作,實現(xiàn)智能控制.圖4為氣化爐智能控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.

3.1 智能控制器硬件設(shè)計

生物質(zhì)汽化爐智能控制器系統(tǒng)配置.三菱FX2N-24MR PLC;三菱可編程序控制器FX2N-2AD A/D轉(zhuǎn)換模塊;ZCM煤氣電磁閥;壓力傳感器;秸稈氣化爐專用鼓風機;歐姆龍公司MY2J AC200/220BY OMZ繼電器;發(fā)光二極管;報警器;GJ028點火旋鈕;生物質(zhì)氣化爐啟動/停止按鈕;雙位帶燈按鈕LAY50-22D-D(自鎖型按鈕);歐姆龍D4X-7312行程開關(guān)等.

根據(jù)氣化爐工作需要,選擇操作按鈕,監(jiān)控顯示燈,操作面板示意圖如圖5.

圖5 控制面板

根據(jù)控制需要,列出控制系統(tǒng)的I/0分配表,(略).

系統(tǒng)外部連接電路.如圖6.

圖6 控制系統(tǒng)外部連接電路

3.2 智能控制器軟件設(shè)計

生物質(zhì)氣化爐智能控制器的軟件設(shè)計,即PLC程序設(shè)計,根據(jù)氣化爐制氣工藝流程,軟件設(shè)計分為幾個功能模塊:啟、停閥門控制,抽油煙機控制,填料提醒控制.控制要求是要滿足生物質(zhì)氣化爐啟動、停止時各氣閥的順序動作,延時動作,將啟動、停止開關(guān)實現(xiàn)互鎖;大煙口閥與送氣閥＂互鎖＂.程序流程圖(略),程序梯形圖如圖7.

圖7 程序梯形圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論

秸稈氣化爐不添加任何化工原料,將秸稈等可燃物直接轉(zhuǎn)化為氣體,熱值高,燃燒效果好.通過氣化爐智能控制實驗研究,得出如下結(jié)論:

(1)本設(shè)計滿足氣化爐智能控制要求,簡化了操作,提高了生物質(zhì)氣化爐的性能.

(2)在實驗平臺進行模擬調(diào)試,控制程序滿足氣化爐控制要求.

(3)控制系統(tǒng)可進行功能擴展,氣化爐向環(huán)保、高科技、高檔次發(fā)展.

(4)系統(tǒng)可靠性高,操作簡單.基于PLC的智能控制器,控制系統(tǒng)完成了對生物質(zhì)氣化爐的氣化、點火、關(guān)火、操作失誤提醒、填料提醒、抽油煙機控制等的過程控制、順序控制功能.智能控制器,有利于氣化爐的優(yōu)化并開拓更廣闊的市場.有助于生物質(zhì)可再生能源開發(fā)利用和減碳減排.

[1]李 鵬,吳 杰,王維新.戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的改進設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2005,(5):76-78.

[2]張榮成,李秀金.作物秸稈能源轉(zhuǎn)化技術(shù)研究進展[J].現(xiàn)代化工,2005,25(16):14-17.

[3]王中賢,張 紅,于紅梅,等.熱管式生物質(zhì)氣化爐的研究[J].石油化工,2008,37(2):127-131.

[4]齊國利,徐艷英.生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的現(xiàn)狀、應用和前景[J].節(jié)能技術(shù),2004,10(5):17-19.